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無鉛焊接技術中的檢測和測試

2019-10-30

無鉛焊接技術中的檢測和測試

        在世界范圍內,主要工業國家都在迅速消減有鉛焊接制造工藝,其中包括PCB組件。北美、歐盟和日本都計劃采用“無鉛”技術,許多公司也盡可能快地放棄有鉛焊接工藝。一些公司充分利用這一形勢,把無鉛技術作為加強其消費者市場的主要手段。
  轉向無鉛焊接技術幾乎使PCB組件的方方面面都受到了影響,包括測試和檢測手段。這里,我們著重論述一些相關的技術問題,以及無鉛焊接給自動光學檢測(AOI)、自動X射線檢測(AXI)以及在線測試(ICT)等主要測試和檢測技術帶來的影響。
  新型焊接技術的概念
  禁止使用鉛焊料的趨勢促使電子制造商和工業組織,如NEMI和IPC等,開始考慮轉變傳統的錫-鉛焊接化學方法,尋求新的出路。泰瑞達公司參加了NEMI公司的“北美無鉛焊接組件技術藍圖”、“無鉛混合組件和返修項目”的制定,并加入了IPC 7-32焊接檢測能力標準委員會。
  新型無鉛焊接概念主要包括錫-銀-銅和錫-銅焊接技術。大部分電子業同行為實現無鉛焊接,正在向錫-銀-銅合金家族轉型。NEMI公司推薦了一種用于回流焊的Sn3.9Ag0.6Cu(+/-0.2%)和用于波峰焊的Sn0.7Cu“工業標準”無鉛合金。然而,隨著許多工藝的變化,應慎重考慮,采用更合適的配料比例,以適合更大范圍的應用,使這種指定的合金既符合產品的營銷要求,又經濟實用。
  回流溫度
  無鉛焊配料具有較高的熔點,可能會使元件與/或組件損壞。按照無鉛焊接概念,SnAgCu的熔點溫度從183℃提高到近217℃,峰值溫度高達260℃。通過較長時間的預加熱可以使高溫得到適當降低。修復溫度也受到影響,有些部件的修復溫度可達280℃。
  這種較高溫度下使用的元件必須進行資格認證,未經認證的元件要求進行手工組裝。
  
  光學檢測問題
  檢測無鉛焊接基本上與檢測常規的有鉛焊接沒有什么區別。無鉛焊接的焊點外形看起來與傳統的錫-鉛焊點十分相似。檢測屬于哪種類型的焊接,關鍵是找到正確判斷每種外形視覺特征的檢測機理。
  然而,無鉛和有鉛焊接的焊點從外表看還是有些差別的,并影響AOI系統的正確性。無鉛焊點的條紋更明顯,并且比相應的有鉛焊點粗糙,這是由于從液態到固態的相變造成的。因此,這類焊點看起來顯得更粗糙、不平整。另外,無鉛焊料的表面張力較高,不像有鉛焊料那么容易流動,形成的圓角形狀也不盡相同。這些視覺上的差異要求對AOI設備和軟件重新校準。舉例來說,某些有鉛焊接AOI系統中設置的“自動通過值”可能與無鉛焊接存在輕微的差別。
  如果當前正使用人工檢測儀,并考慮轉換為AOI系統,正是合適的機會,因為此時人工檢測儀必須進行“重新校準”。
  無鉛焊檢測的工業研究結論
  2002年泰瑞達公司資助成立了國家物理研究室(NPL),對AOI系統的無鉛焊檢測能力進行了獨立評估。NPL是英國國家標準實驗室,是獨立的測量和材料科學研究、開發和知識轉換中心,在國際上享有很高的聲譽。
  NPL對“無鉛表面安裝組件自動光學檢測系統的比較”這一課題進行了研究,并在2002年7月公布了研究結果,旨在判斷無鉛焊接組件自動光學檢測系統是否存在問題。
  供研究使用的測試對象是一種專門為此次研究制作的單色組件,一次制作了許多,有的有缺陷,有的沒有缺陷。組件包括許多不同的焊接類型。每個組件包含近100個元件以及1400多個無鉛焊點。設計的元件類型包括0.4mm節距256腳QFP,0.5mm節距TSOP,以及0402電阻。缺陷類型包括漏焊元件、未對準元件、尺寸正確但參數錯誤的元件、不良焊點、錯誤極性元件、焊接橋,以及焊接不平整元件等。
參加AOI系統評估研究的有六個不同的制造商,其中包括泰瑞達公司。對無鉛組件和常規有鉛組件的檢測使用相同的軟件算法。研究表明,對無鉛焊PCB的評估結果與有鉛PCB相同,甚至更優。兩者的錯誤檢測率也十分相似。需要進行的測試次數與測試對象是否含鉛無關。
  研究表明,雖然在不同設備上測試結果略有差別,但大多AOI系統可以用于無鉛表面安裝組件的檢測。有些使用彩色算法和依賴單色攝像機的系統在評估無鉛焊點時會遇到問題。實踐證明,采用AOI系統對焊接分析時,不必用彩色圖像,單色圖像已包含了焊接分析所必需的全部信息。但使用彩色圖像進行無鉛缺陷的檢測效果更好,例如焊接橋和不良焊點等。
  自動X射線檢測問題
  我們發現,無鉛焊的球形焊點中虛焊增多。無鉛焊的焊接密度較高,可以檢測出焊接中出現的裂縫和虛焊。銅、錫和銀應屬于“高密度”材料,因此,像鉛這類材料阻礙X射線的照射。所以,有必要對X射線系統進行重新校準,但是所有的X射線檢測公司-無論他們生產手動還是自動X射線檢測系統-都說自己的設備對于檢測無鉛焊接沒有問題,但是為了進行優良焊接的特性表征、監控組裝工藝,以及進行最重要的焊點結構完整性分析,對設備的檢測要求有所提高。
  無鉛焊對ICT的影響
  前面已提到,錫合金是一種無鉛焊選擇,然而,錫焊會出現“金屬須”現象-即小的金屬凸起,伸出焊點或焊盤之外。這類須狀物可能生長的很長,使兩個焊區的電流過大,出現短路,引起設備故障。采用在線測試可以很容易地發現這一問題,但錫須的生長可能需要一定的時間,這可能是一個長期存在的可靠性問題。許多組織正在積極努力,如NEMI公司正在使用不同的錫合金,試圖大限度地減少這種現象的發生。
  為了優化無鉛焊接的回流工藝,我們增加了焊劑的使用量,在非清洗環境,隨著接觸電阻的增大,可能污染探針頭,對設備性能有損。因此,要求加強對設備的維護工作,或者把探針頭改換為更尖銳的類型。但是,更尖的探針頭可能與無鉛焊的脆性發生沖突,引起損傷。由于無鉛焊的脆性,在對測試設備中組件的彎曲特性加以限制時要加倍小心。

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